CN117260066B - 一种埋弧焊丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光束加工技术领域，具体公开一种埋弧焊丝及其制备方法。本发明提供的埋弧焊丝采用低碳‑低硅‑低钼的设计思路，并添加了氮元素和锆元素，其通过特定元素的组合，解决了现有埋弧焊丝生产过程中元素偏析的问题，还进一步提高了埋弧焊丝的抗拉强度和低温耐冲击性。本发明还提供上述埋弧焊丝的制备方法，主要采用激光熔覆法来熔覆镍和铜，其熔覆速度快，熔覆材料温度高；进一步将熔覆材料和母体材料结合，在母体材料上生成熔覆层，镍和铜可以均匀地融入母体材料中，从而解决镍和铜元素易产生元素偏析的问题，与先熔炼镍和铜相比，埋弧焊丝的抗拉强度和低温耐冲击性也有一定程度的提高。
Description
技术领域
本发明涉及激光束加工技术领域，尤其涉及一种埋弧焊丝及其制备方法。
背景技术
埋弧焊丝是焊接过程中重要的材料之一，它是导电焊接电流的传导介质，通过在焊缝上加热工件来实现焊接，因此，埋弧焊丝是对焊接工业至关重要的材料。目前，埋弧焊丝通常由几种甚至十几种金属和非金属组成，焊丝生产过程复杂，埋弧焊丝在生产时一般需要经历冶炼、铸坯、锻造、扎盘条和拉丝等工艺，生产周期较长，因此，埋弧焊丝生产过程中会存在很多其他的问题，比如：生产的埋弧焊丝中有些微量元素容易产生元素偏析，从而影响埋弧焊丝的综合性能。因此，急需提供一种埋弧焊丝及制备方法，以解决现有埋弧焊丝生产过程中元素偏析从而影响埋弧焊丝综合性能的问题。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种埋弧焊丝及其制备方法，本发明提供的埋弧焊丝采用低碳-低硅-低钼的设计思路，并添加了氮元素和锆元素，其通过特定元素的组合，解决了现有埋弧焊丝生产过程中元素偏析的问题，还进一步提高了埋弧焊丝的抗拉强度和低温耐冲击性。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
本发明第一方面提供一种埋弧焊丝，以质量百分含量计，由以下化学成分组成：C0.005%-0.0023%，Si 0.04%-0.045%，Ti 0.05%-0.09%，B 0.005%-0.009%，Zr 0.1%-0.16%，Mo 0.08%-0.10%，Mn 1.2%-1.3%，Ni 1.1%-1.35%，Cu 0.5%-0.7%，N 0.008%-0.014%，P≤0.005%，S≤0.003%，余量为Fe和不可避免的杂质。
相对于现有技术，本发明提供的埋弧焊丝采用低碳-低硅-低钼的设计思路，还添加一定量的锆元素，其中，降低碳元素能够提高焊接的可焊性，减少氢致开裂的风险；本发明通过降低硅的含量，有利于降低埋弧焊丝中气孔的产生；降低钼的含量可以改善埋弧焊丝的低温抗冲击性能；但是由于碳含量、硅含量和钼含量的降低，必然会影响埋弧焊丝的抗拉强度和低温耐冲击性能；因此，发明人通过大量的试验研究，通过在埋弧焊丝中添加一定量的锆元素，锆元素可以通过形成精细的颗粒来增强晶粒边界的稳定性，阻止晶粒和先共析的铁素体长大，从而提高埋弧焊丝的低温抗冲击性能；发明人还发现，通过减少碳、硅和钼的含量，并添加锆元素，几种元素之间通过协同作用，还能更好地控制埋弧焊丝中晶粒的生长，提高组织的均匀性，从而解决元素偏析的问题，进而提高埋弧焊丝的抗拉强度；本发明还添加了一定含量的氮元素，氮元素与锆元素能够形成氮化物，其具有较强的晶粒边界亲和性，从而防止其他合金元素产生偏析，并且氮化物的存在还能细化埋弧焊丝的晶粒结构，从而提高抗拉强度；氮化物还能加强晶粒边界，提高晶粒边界的稳定性，有助于减缓裂纹的扩展，特别是提高低温条件下的耐冲击性能；钛、锰、镍和铜元素的添加还有利于进一步提高埋弧焊丝的低温耐冲击性和抗拉强度。
本发明提供的埋弧焊丝采用低碳-低硅-低钼的设计思路，并添加了氮元素和锆元素，其通过特定元素的组合，解决了现有埋弧焊丝生产过程中元素偏析的问题，还进一步提高了埋弧焊丝的抗拉强度和低温耐冲击性。
本发明第二方面提供上述埋弧焊丝的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、在惰性氛围下，将C、Si、Mo、Mn和Fe混合均匀，然后加入Ti和B，于1400℃-1600℃下进行第一次熔炼，得第一钢液；向所述第一钢液中加入Zr，然后进行底吹氮气，于1530℃-1600℃下进行第二次熔炼，冷却，得合金方坯；
步骤2、将所述合金方坯于1150℃-1300℃下进行锻造，得母体材料；
步骤3、将称取的Ni和Cu混合均匀，利用激光熔覆进行熔覆，得熔覆材料；
步骤4、将所述熔覆材料与母体材料熔合在所述母体材料上形成熔覆层，得钢坯；
步骤5、在惰性氛围下，于1200℃-1250℃下将所述钢坯进行盘条，拉丝，得所述埋弧焊丝。
在埋弧焊丝的制备过程中，镍和铜的加入时机是非常重要的，加入时机不同会极大地影响埋弧焊丝的性能。与现有技术相比，本发明主要采用激光熔覆法来熔覆镍和铜，其熔覆速度快，熔覆材料温度高；进一步将熔覆材料和母体材料结合，在母体材料上生成熔覆层，镍和铜可以均匀地熔入母体材料中，从而解决镍和铜元素易产生元素偏析的问题，与先熔炼镍和铜相比，埋弧焊丝的抗拉强度和低温耐冲击性也有一定程度的提高。
优选的，本发明中镍、铜、锆、锰、钼、硼、钛均以单质形式加入。
优选的，碳、铁和硅以合金形式加入，其中，以铁合金为主要成分，碳元素的含量≤0.023%，硅元素的含量≤0.045%。
优选的，步骤1中，所述第一次熔炼的时间为2h-3h。
优选的，步骤1中，所述底吹氮气的氮气流量为210NL/min-250NL/min。
优选的，步骤1中，所述底吹氮气时的搅拌速率为50rpm-55rpm。
优选的底吹氮气的参数有利于氮和锆的充分结合，进一步提高埋弧焊丝的抗拉强度和低温耐冲击性。
当气体分析结果中氮含量符合成分设计氮含量要求时，停止底吹氮气。
优选的，步骤1中，所述第二次熔炼的时间为40min-50min。
优选的，步骤2中，步骤2中，所述母体材料的直径为40mm-60mm。
优选的母体材料有利于进一步提高埋弧焊丝的低温耐冲击性和抗拉强度。
优选的，步骤3中，所述激光熔覆的激光功率为2000W-2500W。
优选的，步骤3中，所述激光熔覆的激光扫描速度为700mm/min-1000mm/min。
优选的，步骤3中，所述激光熔覆的光斑长为5mm-8mm，光斑宽为3mm-4mm。
优选的，步骤3中，所述激光熔覆的搭接率为40%-60%。
激光熔覆激光熔覆不限制熔覆时间，至铜和镍完全熔化为截止时间。
优选的，步骤5中，所述盘条的直径为5.5mm-6mm。
优选的，步骤5中，所述埋弧焊丝的直径为4mm-4.3mm。
本发明提供的埋弧焊丝的制备方法，操作简单，加工成本较低，制备的埋弧焊丝具有优异的抗拉强度和低温耐冲击性，适合工厂化生产。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种埋弧焊丝，以质量百分含量计，由以下化学成分组成：C0.005%，Si 0.04%，Ti 0.09%，B 0.005%，Zr 0.1%，Mo 0.10%，Mn 1.2%，Ni 1.35%，Cu 0.5%，N0.008%，P≤0.005%，S≤0.003%，余量为Fe和不可避免的杂质；
本实施例还提供上述埋弧焊丝的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、按设计配比称取各组分，在惰性氛围下，将称取的C、Si、Mo、Mn和Fe混合均匀，然后加入Ti和B，于1600℃下熔炼2h，得第一钢液；向第一钢液中加入Zr，然后进行底吹氮气，于1530℃下熔炼40min，冷却，得合金方坯；其中，底吹氮气的流量为210NL/min，底吹氮气时的搅拌速率为55rpm；
步骤2、将所述合金方坯于1150℃下锻造成直径为40mm的母体材料；
步骤3、将称取的Ni和Cu混合均匀，利用激光熔覆进行熔覆，得熔覆材料；其中，激光熔覆的激光功率为2000W，激光扫描速度为700mm/min，光斑长为5mm，光斑宽为3mm，搭接率为40%；
步骤4、将所述熔覆材料与母体材料熔合在所述母体材料上形成熔覆层，得钢坯；
步骤5、在惰性氛围下，于1250℃下将所述钢坯进行盘条，拉丝，得所述埋弧焊丝；其中，盘条的直径为5.5mm，拉丝的直径为4mm。
实施例2
本实施例提供一种埋弧焊丝，以质量百分含量计，由以下化学成分组成：C0.023%，Si 0.045%，Ti 0.05%，B 0.009%，Zr 0.16%，Mo 0.08%，Mn 1.3%，Ni 1.1%，Cu 0.7%，N 0.014%，P≤0.005%，S≤0.003%，余量为Fe和不可避免的杂质；
本实施例还提供上述埋弧焊丝的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、在惰性氛围下，将称取的C、Si、Mo、Mn和Fe混合均匀，然后加入Ti和B，于1400℃下熔炼3h，得第一钢液；向第一钢液中加入Zr，然后进行底吹氮气，于1600℃下熔炼50min，冷却，得合金方坯；其中，底吹氮气的流量为250NL/min，底吹氮气时的搅拌速率为50rpm；
步骤2、将所述合金方坯于1300℃下锻造成直径为60mm的母体材料；
步骤3、将称取的Ni和Cu混合均匀，利用激光熔覆进行熔覆，得熔覆材料；其中，激光熔覆的激光功率为2500W，激光扫描速度为1000mm/min，光斑长为8mm，光斑宽为4mm，搭接率为60%；
步骤4、将所述熔覆材料与母体材料熔合在所述母体材料上形成熔覆层，得钢坯；
步骤5、在惰性氛围下，于1200℃下将所述钢坯进行盘条，拉丝，得所述埋弧焊丝；其中，盘条的直径为6mm，拉丝的直径为4.3mm。
实施例3
本实施例提供一种埋弧焊丝，以质量百分含量计，由以下化学成分组成：C0.022%，Si 0.043%，Ti 0.07%，B 0.006%，Zr 0.12%，Mo 0.09%，Mn 1.3%，Ni 1.2%，Cu 0.6%，N 0.012%，P≤0.005%，S≤0.003%，余量为Fe和不可避免的杂质；
本实施例还提供上述埋弧焊丝的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、按设计配比称取各组分，在惰性氛围下，将称取的C、Si、Mo、Mn和Fe混合均匀，然后加入Ti和B，于1500℃下熔炼2.5h，得第一钢液；向第一钢液中加入Zr，然后进行底吹氮气，于1560℃下熔炼45min，冷却，得合金方坯；其中，底吹氮气的流量为230NL/min，底吹氮气时的搅拌速率为53rpm；
步骤2、将所述合金方坯于1220℃下锻造成直径为45mm的母体材料；
步骤3、将称取的Ni和Cu混合均匀，利用激光熔覆进行熔覆，得熔覆材料；其中，激光熔覆的激光功率为2200W，激光扫描速度为800mm/min，光斑长为6mm，光斑宽为3.5mm，搭接率为50%；
步骤4、将所述熔覆材料与母体材料熔合在所述母体材料上形成熔覆层，得钢坯；
步骤5、在惰性氛围下，于1230℃下将所述钢坯进行盘条，拉丝，得所述埋弧焊丝；其中，盘条的直径为5.8mm，拉丝的直径为4.2mm。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于：C 0.005%，Si 0.04%，Ti 0.09%，B 0.005%，Mo0.10%，Mn 1.2%，Ni 1.35%，Cu 0.5%，N 0.008%，P≤0.005%，S≤0.003%，余量为Fe和不可避免的杂质；
其余组分和步骤和实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于：C 0.005%，Si 0.04%，Ti 0.09%，B 0.005%，Zr0.1%，Mo 0.10%，Mn 1.2%，Ni 1.35%，Cu 0.5%，P≤0.005%，S≤0.003%，余量为Fe和不可避免的杂质；
其余组分和步骤和实施例1相同。
对比例3
本对比例与实施例1元素成分相同，不同点在于制备步骤，具体如下：
步骤1、按设计配比称取各组分，在惰性氛围下，将称取的C、Si、Ti、B、Mo、Mn、Fe、Ni和Cu混合均匀，于1600℃下熔炼2h，得第一钢液；向第一钢液中加入Zr，然后进行底吹氮气，于700℃下熔炼40min，冷却，得合金方坯；其中，底吹氮气的流量为210NL/min，底吹氮气时的搅拌速率为55rpm；
步骤2、在惰性氛围下，于1250℃下将所述合金方坯进行盘条，拉丝，得所述埋弧焊丝；其中，盘条的直径为5.5mm，拉丝的直径为4mm。
对实施例1-3和对比例1-3提供的埋弧焊丝的低温冲击性能和抗拉强度进行检测，其中，GB/T 2650-2008性能依据GB/T 2650-2008检测，抗拉强度依据GB/T 2652-2008检测，具体检测结果见表1：
表1
| 检测项目 | 抗拉强度（MPa） | -75℃冲击吸收功（J） |
| 实施例1 | 725 | 93 |
| 实施例2 | 713 | 90 |
| 实施例3 | 720 | 87 |
| 对比例1 | 617 | 52 |
| 对比例2 | 592 | 46 |
| 对比例3 | 545 | 39 |
本发明提供的埋弧焊丝采用低碳-低硅-低钼的设计思路，并添加了氮元素和锆元素，其通过特定元素的组合，使制备的埋弧焊丝解决了生产过程中元素偏析的问题，还进一步提高了埋弧焊丝的抗拉强度和低温耐冲击性，抗拉强度能达到725MPa，-75℃的冲击吸收功达到93J。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1. 一种埋弧焊丝，其特征在于，以质量百分含量计，由以下化学成分组成：C 0.005%-0.023%，Si 0.04%-0.045%，Ti 0.05%-0.09%，B 0.005%-0.009%，Zr 0.1%-0.16%，Mo 0.08%-0.10%，Mn 1.2%-1.3%，Ni 1.1%-1.35%，Cu 0.5%-0.7%，N 0.008%-0.014%，P≤0.005%，S≤0.003%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在惰性氛围下，将C、Si、Mo、Mn和Fe混合均匀，然后加入Ti和B，于1400℃-1600℃下进行第一次熔炼，得第一钢液；向所述第一钢液中加入Zr，然后进行底吹氮气，于1530℃-1600℃下进行第二次熔炼，冷却，得合金方坯；
步骤2、将所述合金方坯于1150℃-1300℃下进行锻造，得母体材料；
步骤3、将称取的Ni和Cu混合均匀，利用激光熔覆进行熔覆，得熔覆材料；
步骤4、将所述熔覆材料与母体材料熔合，在所述母体材料上形成熔覆层，得钢坯；
步骤5、在惰性氛围下，于1200℃-1250℃下将所述钢坯进行盘条，拉丝，得所述埋弧焊丝。
3.如权利要求2所述的埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述第一次熔炼的时间为2h-3h；和/或
步骤1中，所述底吹氮气的氮气流量为210NL/min-250NL/min。
4. 如权利要求2所述的埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述底吹氮气时的搅拌速率为50rpm-55rpm；和/或
步骤1中，所述第二次熔炼的时间为40min-50min；和/或
步骤2中，所述母体材料的直径为40mm-60mm。
5.如权利要求2所述的埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述激光熔覆的激光功率为2000W-2500W。
6.如权利要求2所述的埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述激光熔覆的激光扫描速度为700mm/min-1000mm/min。
7.如权利要求2所述的埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述激光熔覆的光斑长为5mm-8mm，光斑宽为3mm-4mm。
8.如权利要求2所述的埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述激光熔覆的搭接率为40%-60%。
9.如权利要求2所述的埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述盘条的直径为5.5mm-6mm。
10.如权利要求2所述的埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述埋弧焊丝的直径为4mm-4.3mm。
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